本發(fā)明涉及數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)機(jī)床控制系統(tǒng)，具體是數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、數(shù)字孿生技術(shù)在機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床指的是將機(jī)床的物理實(shí)體與其數(shù)字模型進(jìn)行實(shí)時(shí)同步，以實(shí)現(xiàn)更高效的管理、監(jiān)控和優(yōu)化，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)C(jī)床的物理操作與虛擬世界進(jìn)行緊密結(jié)合，為制造業(yè)帶來更高的智能化水平和效率提升；

2、但是目前現(xiàn)有的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制方法及系統(tǒng)在使用時(shí)并不能夠?qū)?shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床進(jìn)行高效的控制，無法針對復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行快速自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)，如此在對復(fù)雜任務(wù)加工時(shí)整體加工效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制方法及系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制方法及系統(tǒng)，機(jī)床控制系統(tǒng)，機(jī)床控制系統(tǒng)包含有數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、孿生模型單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制決策單元、自適應(yīng)算法單元、控制執(zhí)行單元、機(jī)床執(zhí)行單元和反饋監(jiān)控單元，所述數(shù)據(jù)采集單元、孿生模型單元和數(shù)據(jù)處理單元輸出端均連接所述數(shù)據(jù)傳輸單元輸入端，所述數(shù)據(jù)傳輸單元輸出端連接所述控制決策單元輸入端，所述控制決策單元和所述自適應(yīng)算法單元雙向連接，所述控制決策單元輸出端連接所述控制執(zhí)行單元輸入端，所述控制執(zhí)行單元輸出端連接所述機(jī)床執(zhí)行單元輸入端，所述反饋監(jiān)控單元安裝連接在機(jī)床執(zhí)行單元一端，所述反饋監(jiān)控單元輸出端連接所述數(shù)據(jù)采集單元輸入端。

4、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述數(shù)據(jù)采集單元包含有溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器和光電傳感器，所述數(shù)據(jù)采集單元還包含有plc控制器模塊，所述溫度傳感器監(jiān)測機(jī)床溫度，所述壓力傳感器監(jiān)測切削液或液體的壓力，所述位移傳感器精確測量機(jī)床零件位置，所述加速度傳感器監(jiān)測機(jī)器振動(dòng)，判斷狀態(tài)，所述光電傳感器檢測工件裝夾狀態(tài)。

5、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述數(shù)據(jù)傳輸單元包含有工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信模塊和云平臺，所述工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到所述云平臺，所述無線通信模塊提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問。

6、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述孿生模型單元包含有建模軟件模塊、仿真軟件模塊和更新算法模塊，所述建模軟件模塊創(chuàng)建機(jī)床數(shù)字孿生的二維或三維模型，所述仿真軟件模塊進(jìn)行加工過程的模擬，所述更新算法模塊根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新模型。

7、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述控制決策單元包含有決策控制模塊、優(yōu)化算法模塊和人工智能模塊，所述決策控制模塊基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果推薦操作，所述優(yōu)化算法模塊動(dòng)態(tài)調(diào)整加工參數(shù)和路徑，所述人工智能模塊通過機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化控制策略。

8、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述自適應(yīng)算法單元包含有控制器模塊、pid控制器、mpc控制器和模糊控制器，所述pid控制器通過計(jì)算比例p、積分i和微分d的值來調(diào)節(jié)控制量以減少誤差，所述mpc控制器使用系統(tǒng)模型預(yù)測未來狀態(tài)，優(yōu)化控制輸入以實(shí)現(xiàn)最佳性能，所述模糊控制器使用模糊邏輯對不精確或不確定的信息進(jìn)行決策提供柔性控制。

9、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述控制執(zhí)行單元包含有cnc控制模塊、伺服電機(jī)模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊，所述cnc控制模塊接收指令控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，所述伺服電機(jī)模塊精確控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)控制模塊為各個(gè)機(jī)械部件提供動(dòng)力。

10、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述機(jī)床執(zhí)行單元包含有數(shù)控機(jī)床模塊、工裝夾具模塊和切削工具模塊，所述數(shù)控機(jī)床模塊進(jìn)行實(shí)際加工操作，所述工裝夾具模塊固定和支撐工件，所述切削工具模塊進(jìn)行材料去除。

11、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述反饋監(jiān)控單元包含有狀態(tài)監(jiān)測模塊、報(bào)警模塊和數(shù)據(jù)回傳模塊，所述狀態(tài)監(jiān)測模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)，所述報(bào)警模塊異常狀態(tài)實(shí)時(shí)報(bào)警，所述數(shù)據(jù)回傳模塊將結(jié)果數(shù)據(jù)反饋到數(shù)據(jù)采集層。

12、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制方法及系統(tǒng)步驟如下：

13、s1：首先對傳感器進(jìn)行安裝，將溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器和光電傳感器安裝至機(jī)床的各個(gè)部位對機(jī)床工作時(shí)的各類參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至plc控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；

14、s2：接著通過工業(yè)以太網(wǎng)、無線通信模塊和云平臺，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到云平臺中，同時(shí)通過無線通信模塊提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問，并通過數(shù)據(jù)處理單元對數(shù)據(jù)囧西寧處理，使用數(shù)據(jù)清洗工具清除不準(zhǔn)確或異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，并使用數(shù)據(jù)可視化工具生成易于理解的報(bào)告和圖表，幫助操作人員理解機(jī)床狀態(tài)；

15、s3：接著通過建模軟件模塊、仿真軟件模塊和更新算法模塊創(chuàng)建機(jī)床的數(shù)字孿生模型，包括幾何模型和功能模型，設(shè)置仿真參數(shù)以準(zhǔn)確反映機(jī)床的真實(shí)行為，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生模型進(jìn)行融合，更新模型狀態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果對模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以更好地模擬實(shí)際機(jī)床的行為；

16、s4：接著通過決策控制模塊、優(yōu)化算法模塊和人工智能模塊基于數(shù)字孿生模型的分析結(jié)果，使用決策支持系統(tǒng)推薦最優(yōu)操作策略，應(yīng)用優(yōu)化算法調(diào)整加工參數(shù)和路徑，提升加工效率和質(zhì)量，并利用人工智能模塊對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，優(yōu)化控制策略和決策過程；

17、s5：接著通過控制器模塊、pid控制器、mpc控制器和模糊控制器；

18、s6：接著通過cnc控制模塊、伺服電機(jī)模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊將制定的控制策略轉(zhuǎn)化為具體的控制指令，通過cnc控制器下發(fā)給機(jī)床，設(shè)置和調(diào)整機(jī)床的加工參數(shù)，如切削速度、進(jìn)給速度等，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，按照指令進(jìn)行精確操作，為機(jī)床的各個(gè)機(jī)械部件提供必要的動(dòng)力支持；

19、s7：接著通過數(shù)控機(jī)床模塊按照指令進(jìn)行實(shí)際的加工操作，如切削、鉆孔、銑削等，工裝夾具模塊固定工件，確保其在加工過程中穩(wěn)定不變位，切削工具模塊執(zhí)行實(shí)際的切削和加工任務(wù)；

20、s8：接著通過狀態(tài)監(jiān)測模塊、報(bào)警模塊和數(shù)據(jù)回傳模塊通過狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察機(jī)床的工作狀態(tài)，將加工過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)和結(jié)果回傳到數(shù)據(jù)采集層。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

22、1、本發(fā)明中通過自適應(yīng)控制算法實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略來應(yīng)對系統(tǒng)參數(shù)的變化和外部擾動(dòng)，提供了動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、增強(qiáng)魯棒性、優(yōu)化性能、減少人工干預(yù)、處理非線性系統(tǒng)、提升安全性和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)等多方面的好處。這些優(yōu)勢使自適應(yīng)控制算法在許多現(xiàn)代工程應(yīng)用中成為重要的控制手段。

23、2、本發(fā)明中通過精確的實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能優(yōu)化控制、預(yù)測性維護(hù)和靈活的調(diào)整能力，顯著提升了加工精度和系統(tǒng)可靠性，降低了生產(chǎn)成本，提高了操作靈活性和安全性。這些好處使得這種控制方法在現(xiàn)代制造業(yè)中成了一個(gè)重要的工具，為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的支持。

技術(shù)特征：

1.數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：機(jī)床控制系統(tǒng)(100)，機(jī)床控制系統(tǒng)(100)包含有數(shù)據(jù)采集單元(1)、數(shù)據(jù)傳輸單元(2)、孿生模型單元(3)、數(shù)據(jù)處理單元(4)、控制決策單元(5)、自適應(yīng)算法單元(6)、控制執(zhí)行單元(7)、機(jī)床執(zhí)行單元(8)和反饋監(jiān)控單元(9)，所述數(shù)據(jù)采集單元(1)、孿生模型單元(3)和數(shù)據(jù)處理單元(4)輸出端均連接所述數(shù)據(jù)傳輸單元(2)輸入端，所述數(shù)據(jù)傳輸單元(2)輸出端連接所述控制決策單元(5)輸入端，所述控制決策單元(5)和所述自適應(yīng)算法單元(6)雙向連接，所述控制決策單元(5)輸出端連接所述控制執(zhí)行單元(7)輸入端，所述控制執(zhí)行單元(7)輸出端連接所述機(jī)床執(zhí)行單元(8)輸入端，所述反饋監(jiān)控單元(9)安裝連接在機(jī)床執(zhí)行單元(8)一端，所述反饋監(jiān)控單元(9)輸出端連接所述數(shù)據(jù)采集單元(1)輸入端。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集單元(1)包含有溫度傳感器(10)、壓力傳感器(11)、位移傳感器(12)、加速度傳感器(13)和光電傳感器(14)，所述數(shù)據(jù)采集單元(1)還包含有plc控制器模塊。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)傳輸單元(2)包含有工業(yè)以太網(wǎng)(20)、無線通信模塊(21)和云平臺(22)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述孿生模型單元(3)包含有建模軟件模塊(30)、仿真軟件模塊(31)和更新算法模塊(32)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制決策單元(5)包含有決策控制模塊(50)、優(yōu)化算法模塊(51)和人工智能模塊(52)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述自適應(yīng)算法單元(6)包含有控制器模塊(60)、pid控制器(61)、mpc控制器(62)和模糊控制器(63)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制執(zhí)行單元(7)包含有cnc控制模塊(70)、伺服電機(jī)模塊(71)和驅(qū)動(dòng)控制模塊(72)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)床執(zhí)行單元(8)包含有數(shù)控機(jī)床模塊(80)、工裝夾具模塊(81)和切削工具模塊(82)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述反饋監(jiān)控單元(9)包含有狀態(tài)監(jiān)測模塊(90)、報(bào)警模塊(91)和數(shù)據(jù)回傳模塊(92)。

10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)所述的數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床自適應(yīng)控制方法及系統(tǒng)，機(jī)床控制系統(tǒng)，機(jī)床控制系統(tǒng)包含有數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、孿生模型單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制決策單元、自適應(yīng)算法單元、控制執(zhí)行單元、機(jī)床執(zhí)行單元和反饋監(jiān)控單元，數(shù)據(jù)采集單元、孿生模型單元和數(shù)據(jù)處理單元輸出端均連接數(shù)據(jù)傳輸單元輸入端，數(shù)據(jù)傳輸單元輸出端連接控制決策單元輸入端；本發(fā)明通過自適應(yīng)控制算法實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略來應(yīng)對系統(tǒng)參數(shù)的變化和外部擾動(dòng)，提供了動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、增強(qiáng)魯棒性、優(yōu)化性能、減少人工干預(yù)、處理非線性系統(tǒng)、提升安全性和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)等多方面的好處。這些優(yōu)勢使自適應(yīng)控制算法在許多現(xiàn)代工程應(yīng)用中成為重要的控制手段。

技術(shù)研發(fā)人員：劉立全,孫萌,黃家坤,周冉,周興勝,劉近國,王秀,郝莉,劉云輝,韓玉勇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：萬可工業(yè)科技（山東）有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6